Ödev Arşivi

S.P.Q.R · 04-22-2007

FIzyon Ve FÜsyon
Çekirdek reaksiyonlarinda çok büyük enerji açiga çikmasi fisyon ve füzyon tepkimeleriyle gerçeklesir.

FiSYON (Çekirdek Bölünmesi)

Uranyum ya da plütonyum çekirdegi gibi agir bir atom çekirdeginin hemen hemen esit kütleli iki parçaya bölünmesi. Çekirdek bölünmesinde çok büyük miktarda enerji açiga çikar.

Dogada geçerli temel ilkelerden biri, her sistemin, engelleyici bir etki bulunmadigi sürece, potansiyel enerjisinin en alçak düzeyde olacagi biçimi alacagini öngörür.

Örnegin,bir dagin tepesinde bulunan su,engellenmedigi sürece, asagi dogru akar

Böylece potansiyel enerjisi giderek azalir ve kinetik enerjiye dönüsür. 1905’ de

Einstein, enerji ve kütlenin ayni fiziksel niceligin farkli görünümleri oldugu ve birbirlerine dönüsebilecegini ortaya koydu. Bir agir elementin (atom numarasi demirinkinden daha yüksek olan elementler) atomunun çekirdegi iki parçaya bölünürse, olusacak iki çekirdegin kütlelerinin toplami, bölünen çekirdegin kütlesinden daha küçük olur ; bir baska deyimle iki çekirdekten olusan yeni sistem daha az enerjiye sahiptir (aradaki kütle farki, bölünme sirasinda enerji olarak açiga çikar). Bir çekirdek, yine de hemen bölünüp iki parçaya ayrilmaz. Bunun nedeni

çekirdegi olusturan nükleonlar(protonlar ve nötronlar)arasindaki etkilesimi olusturan iki tür kuvvet arasindaki büyük nitelik farkidir. Protonlar ve nötronlar arasinda etkiyen ve çok kisa erimli bir çekme kuvveti olan çekirdek kuvvetiyle yalnizca protonlar arasinda etkiyen daha uzun erimli elektrostatik (Coulomb) itme

kuvveti, çekirdek bölünmesinin gerçeklesebilmesi için açilmasi gereken bir potansiyel duvari olusmasina yol açar. Önüne set çekilen suyun asagi dogru akamamasina benzeyen bu olguda, açilmasi gereken bu potansiyel duvarina (bölünmeye ugrayabilmesi için çekirdege verilmesi gereken ek enerjiye)“bölünme engeli”

denir. Periyodik tabloda yukari dogru çikildikça, bir baska deyimle daha agir elementlere dogru gidildikçe bu engel alçaldigindan, agir çekirdeklerin bölünmesi

daha kolay gerçeklesebilir.

Bir çekirdegin bölünmeye ugramasi iki yolla gerçeklesebilir. Suyun asagi akmasini engelleyen duvarda bir delik açilmasina benzetilebilecek olan “kendiliginden

çekirdek bölünmesi” olayi, dogada kendiliginden ama çok seyrek olarak gerçeklesir. Bölünme için gereken ek enerjinin çekirdege dogrudan, örnegin çekirdegin somuracagi bir nötron araciligiyla verilmesi yoluyla gerçeklestirilebilen bölünme

ise,suyun düzeyinin,önündeki seti asabilecek biçimde biraz yükseltilmesine benzetilebilir. Bu tür bölünme,nötron somurulmasiyla saglanabilecegi gibi,baka parçaciklarin (örnek: proton, alfa parçacigi, gama isini) somurulmasi yoluyla da gerçeklesebilir.

Çekirdek bölünmesinde yer alan olaylar dizisi alti asamada ele alinabilir. Agir çekirdek, bir parçacik (örnek: bir nötron) somurarak ek enerji alir, bu da çekirdegin biçiminde hizli degismelere yol açar .
asama). Bu titresimler sonucunda,çekirdek, adi verilen uzam?? bir biçim alir .
(2. asama). Bu asamada çekirdekteki kuvvetler geçici bir denge durumundadir ; çekirdek eger biraz büzülürse,bölünmez ve fazla enerjisinin, örnegin gama isinini salarak giderip özgün durumuna dönebilir ; ama eger çekirdek biraz daha uzarsa, ikiye ayrilir .
(3. asama).Sonuçta,“bölünme parçalari” adi verilen iki çekirdek ortaya çikar. Ayrica birkaç nötronda

salinabilir. Ikisi de pozitif yüklü olduklarindan birbirlerinden hizla uzaklasan bölünme parçalari, önemli düzeyde enerji fazlasi içerirler ve ilkin “gecikmesiz nötron” olarak adlandirilan nötronlar salarak .
(4. asama), daha sonradan gecikmesiz gama isinlari salarak.
(5. asama) bu enerjinin büyük bölümünü disari verirler. Bu asamalarda salinan nötronlari ve gama isinlarinin “gecikmesiz”olarak adlandirilmasi, bunlari, daha sonra ortaya çikanlardan ayirt edebilecek içindir. Ortaya çikan iki çekirdek, ilk uyarimdan gama isini salinmasina degin geçen yaklasik 10

saniyelik süreden sonra, durgunluga erisirler. “Çekirdek bölünmesi” ürünü adi

verilen bu çekirdekler, radyoaktif bozunum yoluyla gama ve beta isinlari ile gecikmis nötronlar salarak, birkaç saniye ile birkaç yil arasinda degisen bir süre içinde, karalim izotoplara dönüsürler .
(6.asama). Çekirdek bölünmesi, agir çekirdege gerekli enerji fazlasini verebilen herhangi bir parçacik yardimiyla gerçeklestirilebilir. Pozitif yüklü çekirdege en kolay girebilen parçacilar, elektrik yükü

tasiyan nötronlardir. Bölünmenin enerji açiga çikaran bir süreç olmasinin nedeni ise,bölünmede ortaya çikan gecikmesiz nötronlardir, çekirdeklere girerek yeni

bölünmelere yol açarlar. Böylece bir kez baslatilan bölünme süreci kesintisiz sürebilir. Bu süreç zincirleme tepkime olarak adlandirilir. Bir uranyum –235 çekirdeginin bir asil nötron somurarak bölünmesinden ortalama olarak yaklasik 2,5

nötron ortaya çikar. Bunlarin ancak bir bölümü yeni çekirdek bölünmelerine yol

açarlar. Bir bölünmede açiga çikan nötronlarin yeni bölünmelere yol açanlarinin ortalama sayisina “çogalma çarpani” adi verilir. Zincirleme tepkimenin olusabilmesi için çogalma çarpaninin 1’ den büyük olmasi gerekir. Eger bu sayi 1’ den epeyce büyükse (örnek: 2 ise), çekirdek bölünmelerinin sayisi yaklasik her 10 saniyede ikiye katlanir ve bir nükleer patlama ortaya çikar ; bu, atom bombasinin

temelini olusturur. Çekirdek enerjisinin denetimli olarak elde edildigi nükleer reaktörlerde ise, bölünmede ortaya çikan nötronlardan ancak bir bölümünün yeni çekirdek bölünmelerine yol açmasini saglayan ve böylece çogalma çarpanini 1 dolayinda tutan yavaslaticilar kullanilir.

Çekirdek bölünmesinin temel önemi,bölünmede ortaya çikan çok büyük miktardaki enerjidir. Bir çekirdegin bölünmesinde yaklasik 2.10 EV’luk (elektro voltluk)

enerji açiga çikar ; bu, 1 gram uranyum –235’ ten, bölünme yoluyla elde edilebilecek enerjinin 20.000 kilovat-saat dolayinda olmasi anlamina gelir. Çekirdek bölünmesi,büyük ölçekli enerji açiga çikaran üç tür çekirdek tepkimesinden biridir. Öteki iki tepkime türü, radyoaktif bozunum ve çekirdek kaymasidir. Bölünme enerjisinden, elektrik üretiminde, tip, sanayi ve baska alanlarda radyoaktif izotoplarin elde edilmesinde genis ölçüde yararlanilmaktadir. Çekirdek bölünmesi, atom ve nötron bombalarinda açiga çikan çok büyük enerjininde kaynagini olusturur.

Bohr ve Wheeler’ in arastirmalari, uranyumda gözlenen çekirdek bölünmesinin, dogada bol olarak bulunan uranyum –238’de degil, dogal uranyumun ancak yüzde 0,7’ sini olusturan uranyum –235 izotopunda gerçeklestigini belirledi ;bu bulgu sonradan deneysel olarak dogrulandi.

Uranyum –235 yani sira, plütonyum –239 ve uranyum –233’ ün bölünme tepkimesine girebildikleri daha sonra belirlendi.

FÜZYON (Çekirdek Kaynamasi)

Hafif elementlerin atom çekirdeklerinin daha agir bir elementin çekirdegini olusturmak üzere birlesmesi. Birlesen çekirdeklerin, küçük atom numarali elementlerin çekirdekleri olmasi durumunda, önemli ölçüde enerji açiga çikar.

Çekirdek kaynamasi yoluyla enerji üretimine göre çesitli üstünlükleri vardir. Çekirdek kaynamasi ürünleri gibi radyoaktif olmadiklarindan, çevreye zararli etkide bulunmazlar. Ayrica, çekirdek kaynamasinda kullanilacak temel yakit olan döteryum, çekirdek birlesmesinde kullanilan yakitlara göre daha boldur. Uzmanlar çekirdek kaynamasindan enerji üretimine iliskin teknik güçlüklerin azalmasi için daha yillar gerekecegi kanisindadirlar.

Çekirdek kaynamalari genel olarak iki türe ayrilir. Birinci türden çekirdek kaynamasinda, hafif çekirdeklerdeki proton ve nötronlar, yeni bir gruplasmayla daha agir çekirdegi olustururlar.

Örnegin, 2 tane döteryum (döteryumun, yani hidrojen-2’ nin bir protonla bir nötrondan olusan çekirdegi) kaynayarak bir helyum-3 çekirdegi olusturur ve bir nötron açiga çikar. Ya da yine 2 tane döteryum kaynayarak bir triton (trityumun, yani hidrojen-3’ ün bir protonla 2 nötrondan olusan çekirdegi) olusturur ve 1 proton açiga çikar. Bu tepkimelerin birincisinde 3,3 milyon elektron volt (MeV), ikincisinde ise 4 MeV’ luk bir enerji açiga çikar. Bu 1 gr döteryumdaki çekirdeklerin tümünün kaynayarak helyum-3 olusturmasi durumunda ortaya çikacak enerjinin 22.000 kW-sa dolayinda olacagi anlamina gelir. Ikinci türden çekirdek kaynamasinda protonlar ile nötronlarin birbirlerine dönüsmesi söz konusudur. Bu türden tepkimeye örnek olarak 2 hidrojen çekirdeginin (bir baska deyimle 2 protonun) kaynayarak bir döteryum çekirdegi olusturmasi ve bir pozitron (pozitif elektron) ile bir nötronun açiga çikmasidir. Burada, tepkimeye giren protonlardan bir tanesi nötrona dönüsürken, bir proton ile nötron olusmaktadir. Kaynama tepkimesi ancak iki çekirdegin, birbirlerine, aralarindaki uzaklik 10 cm olacak
kadar yaklasmasiyla gerçeklesebilir. Çok kisa verimli olan çekirdek kuvvetlerinin

her ikisi de pozitif yüklü olan çekirdekler arasindaki elektrostatik itme kuvvetini yenebilmesi ancak böylece olanakli olur. Bu itme kuvvetinin çekirdeklerin birbirlerine yaklasmalarini engellemedeki etkinligi nedeniyle, denetimli çekirdek kay-namasi, ancak elektriksel yükü en küçük olan döteryum ve trityum çekirdekleri

için söz konusudur. Denetimli isi veren kaynama tepkimeleri döteryumdan ya

da döteryum-trityum karisimindan olusan bir plazmayi (pozitif yüklü çekirdekler

ile elektronlardan olusan gaz) milyonlarca Kelvin dereceli bir sicakliga yükseltmekle gerçeklestirilebilir.Böylesine yüksek bir sicaklikta plazma, kendisini olusturan parçaciklarin isi enerjisiyle tepkimeye girer. Bu enerji, tepkimenin kendi

kendine sürmesini saglamaya yeterlidir ve bu tepkimeden elektrik enerjisi elde edilir. Böyle bir zincirleme tepkimenin olusabilmesi için, tepkimeye giren sistenin kapali bir hacimde sinirlanmasi gereklidir ; ama böylesine yüksek sicakliklara dayanikli bir yapi malzemesi bugüne degin gelistirilememistir. 1989’ da, elektrokimyasal bir pil içinde düsük sicaklik ve basinç kosullarinda çekirdek kaynamasi tepkimesinin gerçeklestirildigi öne sürülmüs, ama soguk füzyon olarak

adlandirilan bu olgu, henüz kanitlanamayan bir iddia olarak kalmistir.

ÇEK?RDEK REKS?YONLARIYLA K?MYASAL REAKS?YONLAR ARASINDAKI TEMEL FARKLAR

1. Çekirdek reaksiyonlarinda çok büyük miktarda enerji çikar.

1. Kimyasal reaksiyonlarda ortamdan isi alir veya verir.

2. Maddenin kimyasal haline baglidir.

2. Maddenin fiziksel haline baglidir.

3. Füzyon tepkimelerini baslatmak için yüksek enerji gerekirken, fisyon tepkimeleri için böyle bir ihtiyaç yoktur.

3. Ekzotermik tepkimeleri genellikle kendiliginden gerçeklesen tepkimelerdir. Endotermik tepkimeler disardan isi alarak gerçeklesen tepkimelerdir.

4. Fisyon ve füzyon gerçeklestigi ortama enerji verir.

4. Ekzotermik gerçeklestigi kabin sicakligini arttirirken, endotermik sicakligini azaltir.

5. Füzyon tepkimesinin aktiflesme enerjisi > Fisyon tepkimesinin aktiflesme enejisi

6. Endotermik tepkimenin ileri aktiflesme enerjisi > Ekzotermik tepkimenin geri aktiflesme enerjisi
__________________